книги из ГПНТБ / Втюрина, Е. А. Криогенное строение пород сезонно протаивающего слоя

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОССТРОЯ СССР

Е. А. ВТЮРИНА

КРИОГЕННОЕ

СТРОЕНИЕ

ПОРОД

СЕЗОННО

ПРОТАИВАЮЩЕГО

СЛОЯ

ВВЕДЕНИЕ

Криогенное строение пород сезоннопротаивающего слоя - одна из наименее изученных проблем геокриологии, несмотря на ее большое научное и практическое значение.

Известно, какой вред наносит ряду инженерных сооружений в об­ ласти многолетнемерзлых пород ежегодное промерзание и протаивание грунтов, вызывающее выпучивание столбов и фундаментов, деформации дорог, аэродромных покрытий, разного рода коммуникаций. Одна из основных причин этих деформаций неравномерность пучения грунтов при промерзании и осадок при протаивании. В основе ее лежат разли­ чия в характере льдообразования, количестве и особенностях распре­ деления льда в сезоннопротаиваюшем слое, т.е. в криогенном строе­ нии его пород. Познание закономерностей формирования криогенного строения грунтов сезоннопротаивающего слоя позволит более правиль­ но и обоснованно подойти к оценке пучинистости грунтов, определить зоны возможного максимального пучения и заранее предусмотреть меры борьбы с ним. Это дает также возможность определять районы

и периоды максимального развития солифлюкционных процессов на скло­ нах, нередко приводящих к деформациям инженерных сооружений.

При любом виде хозяйственного освоения области многолетнемерз­ лых пород необходимо знание мощности сезоннопротаивающего слоя. Изучение закономерностей криогенного строения пород данного слоя позволяет определить его модность независимо от сроков наблюдения, более точно прогнозировать ее изменения.

Многосторонне также научное значение данной проблемы. В по­ следнее время геокриологи большое внимание уделяют изучению, с од­ ной стороны, особенностей криогенного строения мерзлых толщ, с дру­ гой , - следов былого многолетнего промерзания пород, используя по­ лученные данные для палеогеографических реконструкций.

Познание закономерностей криогенного строения сезоннопротаиваю­ щего слоя позволяет предложить криотекстурный метод изучения мно­ голетнемерзлых пород (Втюрин, Втюрина, 1973). Применение его на­ ряду с другими методами дает возможность установить: 1) тип фор­ мирования многолетнемерзлых пород (синили эпигенетический),. 2) па­ леогеографическую обстановку в период накопления сингенетических мерзлых толщ. Как известно, сингенетические мерзлые толщи форми­ руются в результате последовательного перехода нижней части сезон­ нопротаивающего слоя в многолетнемерзлое состояние по мере осадконакопления. Поэтому сингенетической толще должны быть свойствен-

3

ны только те типы и виды криогенных текстур, которые наблюдают­ ся в нижнем горизонте данного слоя. При знании особенностей льдо­ образования, подземных льдов и криотекстур сеэоннопротаивающего слоя можно установить тип формирования мерзлых толщ по их крио­ генному строению.

Выявление зависимости характера криогенной текстуры нижней час­ ти данного слоя от всего комплекса геолого-географических условий позволяет существенно детализировать расшифровку палеогеокриоло— гических и палеоклиматических условий в период накопления сингене­ тических мерзлых толщ. Криогенное строение современного сезоннопротаивающего слоя в разных по климатическим и геокриологичес­ ким условиям районах - своеобразный эталон для восстановления ис­ тории их формирования.

Без изучения особенностей криогенного строения сезоннопротаивающего слоя невозможно решить вопрос о механизме образования много­ численных криогенных форм рельефа, связанных с этим слоем.

Сезоннопротаивающий слой - хорошая природная лаборатория для ис­ следования процессов миграции влаги при промерзании тонкодисперсных грунтов, особенностей льдообразования в горных породах, пучения про­ мерзающих грунтов и его зависимости от их криогенного строения и т.д.

Настоящая монография - первая обобщающая работа по литокриологии сеэоннопротаивающего слоя. В ней сделана попытка выявить основные закономерности криогенного строения данного слоя и факторы, их оп­ ределяющие. Предложены классификации типов льдообразования, под­ земных льдов, криогенных текстур и криогенного сложения сезоннопротвивающего слоя.

Показана возможность и необходимость учета типа криогенного сло­ жения пород как одного из основных классификационных признаков при районировании и картировании данного слоя.

Разработан криотекстурный метод определения его мощности. Дана методика изучения криогенного строения пород сеэоннопротаивающего слоя.

В основу работы положены результаты многолетних исследований криогенного строения сеэоннопротаивающего слоя, проведенных автором в разных районах СССР, и имеющийся литературный материал.

Принимая во внимание сложность рассматриваемых в работе вопро­ сов, автор не претендует на полноту их решения и надеется, что дан­ ная работа послужит стимулом более полного и глубокого изучения крио­ генного строения пород сезоннопротаивающего слоя.

Автор приносит благодарность доктору географических наук Н.А. Гра­ ве, взявшему на себя труд ответственного редактора, доктору геогра­ фических наук Л.Д. Долгушину и кандидату географических наук Н.Г.Бо­ бову, просмотревшим работу и давшим ценные замечания.

4

I .1110(1 I

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ и п онятия

Естественное следствие молодости геокриологии как науки - от­ сутствие твердо установившейся терминологии. В 1956 г. была пред­ принята попытка обновить и упорядочить геокриологическую термино­ логию. Однако исследования криогенного строения пород, проведенные за последние 10-15 лет, показали необходимость уточнения ряда тер­ минов и обусловили появление новых терминов и понятий, носящих еще дискуссионный характер. Нередко один и тот же термин по-разному трактуется исследователями, поэтому необходимо указать, что пони­ мается под тем или другим термином, применяемым в данной работе.

С е з он н о п рота и вающи м слоем (сезонноталым - СТС ) назы­ вается самый верхний слой горных пород, подвергающийся ежегодному протайванию и промерзанию и подстилаемый многолетнемерзлыми по­ родами (ММП). Последнее служит основным отличием этого слоя от с е з о н н о п р о м е р з а ю щ е г о (сезонномерзлого - СМС), породы ко­

торого также промерзают и протаивают ежегодно, но подстилаются не­ мерзлыми или талыми породами.

Термины "сезоннопротаивающий" и "сезоннопромерзающий слой* пред­ ложены сравнительно недавно взамен единых для них терминов "сезон­ ная мерзлота' или "деятельный слой".

Основанием для разделения послужили различия в характере теп­ лообмена в ходе таких процессов, как охлаждение и промерзание, миг­ рация влага в породах СТС и СМС и т.д., установленные при более детальном изучении "сезонной мерзлоты". Прогрессивная роль такой замены ясна, но это касается лишь понятий "сезонномерзлый' и "се­ зонноталый" слой, а не самих терминов, которые нельзя признать удачными. По существу они синонимы: раз слой пород лишь сезонно­ мерзлый, следовательно, он будет также и сезонноталым, и наоборот. Считать, что для СТС, подстилаемого многолетнемерзлой толщей, ос­ новное состояние - мерзлое, а для СМС, подстилаемого талой тол­ щей - талое, можно лишь условно. В действительности для того и друтого слоя одинаково характерны оба состояния. Основное отличиеих- разный режим охлаждения и нагревания пород, но это пока не отра­ жено в названиях.

Однако, сознавая несостоятельность этих терминов, мы вынуждены пользоваться ими, поскольку не имеем возможности предложить вза­ мен их что-либо более правильное. В настоящее время изучению СТС и СМС стали уделять больше внимания. Возможно, замена ука­ занных терминов более удачными - дело недалекого будущего, а пока остается лишь твердо придерживаться понятий, соответствующих каж­ дому из них.

5

Недостаток этих терминов, на наш взгляд, также в следующем. Наряду с коренными различиями, СТС и СМС имеют и много общего. Оба составляют самую верхнюю, одинаково незначительную по мощ­ ности, часть земной коры, ежегодно подвергающуюся попеременному промерзанию и протаиванию. По существу это два основных типа или класса одного и того же слоя. Однако, справедливо упразднив термины "сезонная мерзлота" и "деятельный слой", геокриологи пока не пред­ ложили собирательного термина, включающего оба понятия. Основным объединяющим СТС и СМС признаком можно считать сезонные фазо­ вые переходы свободной и частично связанной воды. Вполне логичен термин "сезонномерзлые породы", примененный А.М. Пчелинцевым (1964), поскольку он отражает основную особенность данных пород. Но в таком случае во избежание путаницы необходима замена тер­ минов "сеэоннопротаивагоший" и "сезоннопромерзающий" слой, что по­ ка невозможно.

В последнее время выявилась необходимость дальнейшей детали­ зации СТС. Н.Ф. Григорьев (1966) подразделил его на два типа в за­ висимости от поверхностных условий: континентальный, свойственный необводненным и периодически обводненным участкам суши, и под­ водный, свойственный постоянно обводненным участкам. Последний тип

Дискуссионный характер имеет также большинство терминов по проб­ леме строения мерзлых пород. Термин "криогенное строение" пород сравнительно новый. Примерно до 1960 г. в печатных работах приме­ няется термин "строение мерзлых пород", а не "криогенное строение” (Шумский, 1957; Основы геокриологии (мерзлотоведения), 1959). Пе­ реход от термина "строение мерзлых пород" к термину "криогенное строение пород" произошел как-то незаметно, путем простой замены одного другим. Судя по тому, что ряд исследователей без каких-либо оговорок применяют одновременно оба термина (Жесткова, 1961; Пчелинцев, 1964 и др.), они понимаются ими как синонимы, что едва ли правильно. В 1967 г. Ш.Ш. Гасанов предложил такое определение крио­ генного строения пород: "Промерзание влажных рыхлых отложений со­ провождается переходом значительной части заключенной в них воды в лед, который вместе с первичным строением и составом создает новую взаимосвязанную систему - криогенное строение пород" (Гаса­ нов, 1967, стр. 90). С одной стороны, в этом определении не учитыва­ ется наличия в мерзлых породах помимо первичных внутригрунтовых,

также вторичных внутригрунтовых и погребенных льдов. С другой сто­ роны, учет первичного строения породы, наряду с криогенной тексту­ рой и структурой, входящими, по Ш.Ш. Гасанову, в понятие "криогенное строение пород", делает его близким к определению понятия "строение

мерзлых пород", данному П.А. Шумским. Согласно определению П.А.Шум-

6

разом, предложенное Е.М. Катасоновым определение понятия "строе­ ние мерзлых, пород" отличается от аналогичного понятия по отношению к немерзлым осадочным породам только включением в него 'типа льда-цемента". При этом Е.М. Катасонов как-то упустил из вида, что в осадочных породах бывает еще и другой тип цемента, к которому гео логи относят обычно " меньшую и более тонкозернистую часть породы"

и виды которого более многообразны, чем льда-цемента (Швецов, 1958) Следовательно, по отношению к мерзлым породам следует в таком слу­ чае говорить о двух типах цемента; минеральном и льде-цементе.

При описании слоя пород, по мнению Е.М. Катасонова, следует го­ ворить о макростроении, обусловленном характером распределения вклю­ чений в мерзлых породах, главным образом льда. "Ледяные прослойки, гнезда, прожилки, линзы и т.д. как бы разбивают мерзлые породы на части, придают им макростроение или, как говорят мерзлотоведы, соз­ дают к р и о г е н н ы е (морозные) т е к с т у р ы " ( 1959, стр. 83, разрядка автора). Он практически отождествляет "макростроение"' слоя мерз­ лой породы с его шлировой криогенной текстурой.

Следовательно, исходя из представлений Е.М. Катасонова, в тех случаях, когда мерзлая порода имеет массивную криотекстуру, следу - ет говорить о "строении мерзлой породы". Если мерзлая порода имеет шлировую криотекстуру - о 'макростроении". При этом указания на объем мерзлой породы ("более или менее значительный" во втором случае) не меняет дела: и ту и другую текстуру порода может иметь как при очень небольшом, так и при "более или менее значительном" объеме.

Предложенный Е.М. Катасоновым двойственный подход к определе­ нию понятия 'строение мерзлых пород' не получил признания геокрио­ логов.

Сравнивая оба определения, становится ясно, что под названием 'строение мерзлых пород' понимаются не только криогенные особен­ ности пород, но и особенности их строения до промерзания. Следо­ вательно, это понятие более широкое, чем понятие 'криогенное строе­ ние пород". Судя по имеющимся описаниям, под названием 'криогенное строение пород' обычно рассматривают лишь их криогенные особеннос­ ти - криогенную текстуру и структуру, чаще только текстуру. Однако, что называть криогенной текстурой,также до сих пор не совсем ясно. Существует несколько определений этого понятия. В 1956 г. терми­ нологическая комиссия предложила понимать под криогенной текстурой "сложение мерзлых горных пород, возникшее в процессе их промер­ зания' ("Основные понятия и термины...", 1956, стр. 14). На недос­ татки такого определения указал А.М. Пчелинцев (1964), Преимущест­ во же его, по сравнению с другими более поздними определениями, по нашему мнению, в том, что здесь из понятия "криогенная текстура" не исключаются никакие виды подземного льда. Однако, после того, как стал применяться термин "криогенное строение", такое определе­ ние криогенной текстуры пород стало недостаточным. Оно слишком широкое и скорее может быть определением'криогенного строения пород", чем их 'криогенной текстуры".

8

В дальнейшем при уточнении понятия "криогенная текстура" воз­ никли разногласия по вопросу о том, считать ли лед-цемент текстуро­ образующим. В 1957 г. П.А. Шумский дал определение не криогенной текстуры, а текстуры мерзлой породы, указав, что она "создается про­ странственным расположением ее ( породы - Е.В.) составных частей, в ■ первую очередь сцементированных льдом минеральных ( или органо-мине­ ральных) агрегатов и шлиров конституционного льда, но также и минераль­ ных агрегатов различного состава и строения (благодаря первичной текстурности породы) и пр." ( Шумский, 1957, стр. 57) .Судя по данной им клас­ сификации криотекстур, лед-цемент П.А. Шумский относит к текстурообра­ зующим льдам. Того же мнения придерживается большинство исследо­ вателей. Иной взгляд высказали А.М. Пчелинцев (1959, 1964) и Е.М. Катасонов (1959, 1961). Признавая текстурообразующими лишь такие формы ледяных образований как линзы, прослойки, прожилки,

корки и гнезда льда, легко различимые невооруженным глазом, вне за­ висимости от их генезиса, они исключают из понятия криогенной тек­ стуры группу массивных криотекстур, широко представленных в приро­ де. Е.М. Катасонов вообще не пользуется термином "массивная крио­ генная текстура", хотя и относит к понятию "криогенная текстура" отдельные ее виды: "корковую" (пленочно-массивную, по Ш.Ш. Гаса­ нову, 1963) и базальную (базально-массивную и атакситовую, по тер­ минологии Втюрина, Гасанова, 1962а и Гасанова, 1963). При наличии же в мерзлой породе таких видов льда-цемента как контактный, мало­ мощный пленочный и поровый, он указывает, что "криогенная тексту­

ра не выражена". А.М. Пчелинцев практически отходит от принятого им определения криогенной текстуры, выделяя, как особый тип, массивную криотекстуру. В 1967 г. Ш.Ш. Гасанов под криогенной текстурой пред­ ложил понимать "совокупность особенностей строения мерзлой породы, обусловленных пространственными взаимоотношениями основных ее ком­ понентов - грунта и породообразующего льда (сегрегационного и льдацемента)".

Что такое 'текстурообразующий лед", исследователи не указывают, но на основе предложенных ими определений "строения мерзлой поро­ ды" и "криогенной текстуры" можно сказать,какие типы подземных льдов они относят к текстурообразующим. По П.А. Шумскому и Ш.Ш.Га­ санову, это конституционные льды, образующиеся при кристаллизации воды, содержащейся в горной породе до промерзания. А.М. Пчелинцев первоначально относил к ним льды любого генезиса, различимые не­ вооруженным глазом, а позднее - любой подземный лед. Е.М. Ката­ сонов по этому вопросу придерживается первоначальных взглядов А.М. Пчелинцева.

Термин "криогенная структура пород" часто встречается в литера­ туре обычно в сочетании с термином "криогенная текстура", однако до сих пор неясно, что под ним понимать. Терминологической комис­ сией в 1956 г. под криогенной структурой было предложено понимать "строение мерзлых горньх пород, обусловленное размерами, относи­ тельным количеством, формой, ориентировкой составных частей (ми­ нерального скелета, кристаллов льда, ячеек и пленок жидкости, газо­

вых включений и пор)" ("Основные понятия и термины...", 1956, стр. 14).

9